各向異性磁阻傳感器在地磁探測中的應用

張 嵩 劉得軍 李 輝 馬中華 楊 帆

(中國石油大學地球物理與信息學院，北京 102249)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和城市化進程的不斷加快，密布于城市各個角落的地下管線錯綜復雜，在施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)打漏管線情況，進而造成漏水、漏氣、停電等事故。因此，開展地下管線的相關(guān)探測理論研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

通常情況下，地下埋藏物與周圍介質(zhì)在電性、密度、磁性、阻抗和導熱性等方面均存在差異。因此，人們可以利用導電率、導磁率、介電常數(shù)和密度等物理參數(shù)，選擇不同的地球物理方法進行地下管線探測。目前，探測地下管線的方法大致包括電磁法、地震波法、探地雷達法、紅外熱成像法等［1－4］。但這些方法往往具有探測條件要求較高、抗干擾能力較差以及設備操作不方便等缺點。因此，介紹了一種利用各向異性磁阻傳感器來辨別埋藏物質(zhì)的方法。磁阻傳感器是利用薄膜合金遇到磁場會產(chǎn)生磁阻值變化的性質(zhì)，將薄膜合金以惠斯登電橋的方式連接，當電橋遇到不同強度的磁場時會產(chǎn)生不同的電壓輸出，將磁性信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｔ摲椒ň哂胁僮骱啽?、靈敏度高、受地形地貌影響小、抗干擾能力強、無需向地層主動發(fā)射脈沖信號等特點。因此，在工程上得到了廣泛的應用。

1 探測原理

1.1 地磁探測基本原理

地球本身是一個巨大的磁體，它在空間產(chǎn)生的磁場即地球磁場是一個矢量場，在地面上平均磁感應強度為0.000 05 T，即0.5 Gs。由于地磁場的作用，含有鐵磁性物質(zhì)的物體會產(chǎn)生感生磁場(擾動磁場)Bi干擾周圍空間的地磁場分布，從而產(chǎn)生磁場異常信號Ba。通過測試和處理磁異信號可以得到反映磁性目標的探測信息，這就是基于磁異信號的目標探測技術(shù)的物理基礎［5－8］。

在物理學中，能夠直觀反映磁場信號強弱和方向的物理量是磁感應強度，通過研究鐵磁性物質(zhì)產(chǎn)生磁異常信號的磁感應強度就可以得到反映地磁場異常的探測信息。顯然，磁異常信號磁感應強度與地磁場和擾動磁場兩個場量有關(guān)，它們的關(guān)系可表示為:

式中:Ba為磁異信號磁感應強度矢量;Bi為擾動場磁感應強度矢量;Be為地磁場磁感應強度矢量。顯然，對埋藏于地下的磁異常物的探測，就是通過一定方法將磁異常信號從近似均勻的地磁場背景中辨別提取出來。

1.2 磁阻傳感器基本原理

各向異性磁阻傳感器由薄膜合金(透磁合金)制成，利用載流磁性材料在外部磁場存在時電阻特性將會改變的基本原理進行磁場變化的測量。當傳感器接通以后，假設沒有任何外部磁場，薄膜合金會有一個平行于電流方向的內(nèi)部磁化矢量。如果加一個平行于薄膜合金平面，但又垂直于電流方向的外磁場H，則薄膜合金內(nèi)部磁化向量會旋轉(zhuǎn)一個角度α。磁場作用效果如圖1所示。

圖1 磁場作用效果圖Fig.1 The effected under magnetic field

最終，薄膜合金的電阻R就會因角度變化而變化，并且與α形成如下函數(shù)關(guān)系:

式中:R0和ΔR0為材料參數(shù)。

由式(2)可以看出，磁疇由于受到H方向磁場作用重新排列，這個過程被稱為定向磁化，H方向被稱為難磁化軸或敏感軸，與難磁化軸垂直的方向稱為易磁化軸或非敏感軸［9］。從這個二次方程中可以很明顯地看出，電阻/磁場特性是非線性的，且每一個R并不與唯一的H值成對應關(guān)系。

在傳感器內(nèi)部的四條薄膜合金以惠斯登電橋的形式蜿蜒排列，當外加電源供電后，薄膜合金會在外加磁場的作用下產(chǎn)生電阻值的變化，導致電橋的兩輸出端輸出差分電壓信號。

1.3 磁阻傳感器的翻轉(zhuǎn)特性

磁阻傳感器的翻轉(zhuǎn)特性曲線如圖2所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)特性曲線Fig.2 The flip property curves

圖2中:Vo為傳感器輸出電壓;Hy為平行于敏感軸方向的磁場強度。當Hy增大時，輸出電壓也隨之增大;當Hy增大到一定程度時，輸出電壓會逐漸衰減，直至趨于平穩(wěn)。

薄膜合金內(nèi)部的磁疇沿非敏感軸(易磁化軸)有正負兩個穩(wěn)定排列方向。在磁阻傳感器出廠時，由于受校準磁場的作用，薄膜合金內(nèi)部磁疇已經(jīng)按非敏感軸的正穩(wěn)定方向規(guī)律排列，但當使用過程中遇到外部施加與內(nèi)部磁疇排列方向相反、場強很大的磁場時，外加磁場有可能改變內(nèi)部薄膜合金磁疇排列方式，即沿負穩(wěn)定方向排列。因此，傳感器性質(zhì)發(fā)生顛倒，傳感器的輸出曲線由正穩(wěn)定方向反轉(zhuǎn)到負穩(wěn)定方向。通常來說，傳感器輸出特性曲線只會在正、負兩個穩(wěn)定方向之間產(chǎn)生反轉(zhuǎn)。

2 應用實例及分析

2.1 地表裸露金屬物探測

地表金屬物探測波形如圖3所示。

圖3 地表金屬物探測波形Fig.3 Detection waveforms of metal object on ground surface

由圖3可知，經(jīng)放大鏡濾波后，在均勻地磁場作用下的磁阻傳感器的輸出在－0.007 5 V附近;當靠近螺絲刀后輸出電壓產(chǎn)生明顯變化，輸出幅值跳變到0.002 5～0.007 5 V范圍內(nèi);當傳感器遠離螺絲刀后輸出電壓恢復到－0.0075 V附近。

2.2 地下金屬埋藏物探測

將同一根螺絲刀埋藏在地面以下25 cm處，具體方位未知。用傳感器在某一區(qū)域范圍內(nèi)進行探測。探測過程中發(fā)現(xiàn)在絕大部分土壤表面?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲭妷簽椋?.012 V，但在某一位置上方傳感器電壓發(fā)生微弱變化，傳感器的輸出電壓由－0.012 V跳變到－0.006～－0.008 V范圍內(nèi)。經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)螺絲刀確實埋在該處。與在地表的實驗相比，傳感器信號輸出較為微弱，但通過一定的信號放大濾波處理后仍能準確地判斷出金屬物位置。地下金屬構(gòu)探測波形如圖4所示。

圖4 地下金屬物探測波形Fig.4 Exploring waveforms of the underground metal object

2.3 地下未知管線探測

利用各向異性磁阻傳感器對大慶油田某井場附近疑似存在地下管線，但對管線走向及埋藏深度都未知的區(qū)域進行了探測實驗。地下未知管線探測波形如圖5所示。

圖5 地下未知管線探測波形Fig.5 Exploring waveforms of unknown underground pipeline

從圖5中可以看出，存在一處磁場強度異常區(qū)域，即波形凸起區(qū)域，傳感器輸出電壓由均勻土壤區(qū)域的－0.01 V升高到 +0.045 V附近，變化幅度達到0.055 V，顯然該處存在明顯磁異常。因此，可以判定該處存在一根金屬管線。經(jīng)檢驗，確定地下1.5 m處埋藏有一根直徑約1 m的金屬管。

2.4 實驗結(jié)果及分析

經(jīng)實驗分析可知，均勻大地土壤的磁感應強度相差不大，能夠使傳感器產(chǎn)生約－0.01 V的輸出電壓。Hmc1001型傳感器具有較強的敏感性，能夠分辨出螺絲刀等較為細小的鐵磁性物質(zhì)。此外，由于鐵磁性物質(zhì)大小不同會導致傳感器的輸出有明顯差異［12］，較粗較大的鐵磁性物質(zhì)的電壓輸出很大，很容易被傳感器辨別出來。對于埋藏在地表下的鐵磁性物質(zhì)，埋藏深度對探測的影響很大，隨著埋藏深度的加大探測信號的強度衰減明顯。

實驗結(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results

3 結(jié)束語

以霍尼韋爾Hmc1001為代表的一系列各向異性磁阻傳感器不僅具有體積小、靈敏度高、抗干擾能力強和操作簡單等特點，還集成有置位/復位電流帶、偏置電流帶等功能端;可以有效減小剩磁干擾、溫度漂移和非線性誤差等問題，在現(xiàn)代地磁探測中得到了越來越廣泛的應用。由于各向異性磁阻傳感器在各種磁異信號的檢測中具有靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，較好地滿足了地磁異常檢測的要求，因此，各向異性磁阻傳感器對地下管線及不明物等的探測是行之有效的。

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